本帖最后由 defeng28 于 2021-10-10 16:42 編輯
摘要：本文從生產(chǎn)線本質(zhì)特征的角度分析了現(xiàn)有的以生產(chǎn)線為基礎(chǔ)的制造系統(tǒng)所存在的問題,，辯證地提出二維并行的制造系統(tǒng)--智能生產(chǎn)矩陣,，并通過與生產(chǎn)線進(jìn)行對(duì)比,，闡述智能生產(chǎn)矩陣的動(dòng)態(tài)配置工藝和工序,、發(fā)散式發(fā)展的特點(diǎn),，以及其作為智能制造核心基礎(chǔ)的原理優(yōu)勢(shì)和顛覆性意義,，并系統(tǒng)描述了以生產(chǎn)矩陣為基礎(chǔ)的智能制造系統(tǒng)的應(yīng)用需求和對(duì)社會(huì)生產(chǎn)發(fā)展的意義,。
關(guān)鍵詞：生產(chǎn)矩陣,，二維并行制造系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)配置,，發(fā)散式發(fā)展,，大規(guī)模定制，智能制造
引子：完全動(dòng)態(tài)配置的智能生產(chǎn)矩陣是智能制造和智慧生產(chǎn)的核心基礎(chǔ),，是真正意義上的百萬機(jī)器人,、犀牛制造、大生產(chǎn)體系,，是實(shí)現(xiàn)“人為生產(chǎn)”向“生產(chǎn)為人”轉(zhuǎn)變的使能技術(shù),。由智能生產(chǎn)矩陣提煉出來的矩陣生產(chǎn)方式，亦將像豐田生產(chǎn)方式一樣深刻改變和深遠(yuǎn)影響社會(huì)生產(chǎn)組織模式,。
生產(chǎn)線是現(xiàn)在普遍使用的生產(chǎn)制造系統(tǒng),，其原理特征是一維串行的，工藝和工序靜態(tài)配置,，并且,，就某一條生產(chǎn)線而言，隨著功能的增加,，其發(fā)展必然收斂于專用產(chǎn)線,。由于生產(chǎn)線存在這些原理性特征，當(dāng)前的以大規(guī)模定制為發(fā)展方向的制造系統(tǒng)如果以生產(chǎn)線為基礎(chǔ)物理模型,，在發(fā)展上很容易就會(huì)遇到一些無法解決的瓶頸和天花板的問題,。 生產(chǎn)線的一維串行原理，需要將生產(chǎn)的工藝和工序固化,，將操作設(shè)備和工位固定,，并按照生產(chǎn)流程順次執(zhí)行。這種靜態(tài)配置工藝和工序的生產(chǎn)組織方式導(dǎo)致生產(chǎn)線沒有柔性,，或柔性不充分的問題,，一條生產(chǎn)線只能生產(chǎn)一種產(chǎn)品或有限的相似度極高的同類型產(chǎn)品。并且,，同一條生產(chǎn)線上,，在同等時(shí)間內(nèi)完成多個(gè)不同工序非常困難，也并不現(xiàn)實(shí),，這就必然產(chǎn)生生產(chǎn)節(jié)拍的不平衡問題,。 生產(chǎn)線的效率和柔性始終是不可調(diào)和的矛盾，提升效率必然降低生產(chǎn)線的柔性,，提高生產(chǎn)線的柔性又必然帶來效率的損失,。 盡管我們?cè)趥鹘y(tǒng)生產(chǎn)線上通過配置更多的機(jī)器人和機(jī)器視覺等設(shè)備,，以期提升產(chǎn)線的效率。但是,，在實(shí)踐中,，我們很快就發(fā)現(xiàn)這種效率的提升非常有限，遠(yuǎn)不是我們所需要的可持續(xù)的線性提升,。 人工智能等先進(jìn)技術(shù)的融合度低,，數(shù)據(jù)采集并處理后，很難反饋回產(chǎn)線以形成質(zhì)量控制和生產(chǎn)優(yōu)化的閉環(huán),，導(dǎo)致制造系統(tǒng)的智能化無法快速發(fā)展,。 收斂式發(fā)展的特性使生產(chǎn)線最終必然成為一條只能生產(chǎn)一種產(chǎn)品的專用產(chǎn)線。如果企業(yè)要更換產(chǎn)品型號(hào)或生產(chǎn)全新的產(chǎn)品,，就要對(duì)之前的產(chǎn)線做相應(yīng)的調(diào)整,，耗費(fèi)企業(yè)資源和成本。更有甚者,，當(dāng)出現(xiàn)產(chǎn)品的代級(jí)變化或品類變化,，之前的產(chǎn)線很可能徹底不能用，比如生產(chǎn)功能手機(jī)的產(chǎn)線無法生產(chǎn)智能手機(jī),，這就嚴(yán)重阻礙了企業(yè)轉(zhuǎn)型,。這些問題是生產(chǎn)線的本質(zhì)特征造成的，只要使用生產(chǎn)線作為制造系統(tǒng)的基礎(chǔ),，相應(yīng)的就必然會(huì)存在這些問題,。 大規(guī)模定制是制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，需要相應(yīng)的制造系統(tǒng)充分柔性和冗余,，能夠動(dòng)態(tài)配置工藝和工序,，在發(fā)展方式上能夠線性提升產(chǎn)能和效率，并且這種提升不與柔性相互矛盾,。應(yīng)用于單一型號(hào)產(chǎn)品的大批量生產(chǎn),，傳統(tǒng)產(chǎn)線為基礎(chǔ)的制造系統(tǒng)確實(shí)有較高的效率。但對(duì)于大規(guī)模定制這一更智能化的制造需求,，以產(chǎn)線為基礎(chǔ)的制造系統(tǒng)暴露出諸多在原理上無法解決的問題,。畢竟，百年前創(chuàng)造生產(chǎn)線的目的是為解決單一品種產(chǎn)品大批量生產(chǎn)的問題�,，F(xiàn)在的需求發(fā)生了根本性的變化,，百年前的解決方案還能解決今天的問題嗎？ 生產(chǎn)線不是大規(guī)模定制這一類智能制造真正優(yōu)選的核心基礎(chǔ),。相應(yīng)的,，通過對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行再多的智能化，也無法從根本上實(shí)現(xiàn)大規(guī)模定制的“生產(chǎn)為人”的真智能目標(biāo),。 根據(jù)哲學(xué)的對(duì)立統(tǒng)一規(guī)律,，既然存在生產(chǎn)線這種一維串行的、收斂式發(fā)展的,、靜態(tài)配置的制造系統(tǒng),，必然存在與之相對(duì)的二維并行的制造系統(tǒng)，這種制造系統(tǒng)的特征是動(dòng)態(tài)配置工藝和工序,，并且發(fā)散式發(fā)展,。事實(shí)上，確實(shí)存在這樣的制造系統(tǒng)--生產(chǎn)矩陣,。 生產(chǎn)矩陣,，是指在矩陣軌道系統(tǒng)上設(shè)置關(guān)聯(lián)回路，基本單元機(jī)器人在關(guān)聯(lián)回路上通過運(yùn)動(dòng)耦合進(jìn)行重構(gòu),，重構(gòu)機(jī)器人和物料通過運(yùn)動(dòng)耦合執(zhí)行工藝操作,，完成產(chǎn)品生產(chǎn)的制造系統(tǒng)。 智能生產(chǎn)矩陣是在生產(chǎn)矩陣的基礎(chǔ)上,，結(jié)合5G/6G通信,、人工智能等先進(jìn)技術(shù)，使生產(chǎn)制造系統(tǒng)通過自學(xué)習(xí),，自行組織生產(chǎn),，實(shí)現(xiàn)“生產(chǎn)為人”的真智能。 生產(chǎn)矩陣是一種二維并行的生產(chǎn)制造系統(tǒng),，具有充分柔性,、充分冗余、完全動(dòng)態(tài)配置工藝和工序,、發(fā)散式發(fā)展的本質(zhì)特征,。從基本原理上解決以生產(chǎn)線為基礎(chǔ)的制造系統(tǒng)在發(fā)展中遇到的無法解決的問題，生產(chǎn)矩陣是較之生產(chǎn)線更適合作為智能制造和智慧生產(chǎn)的核心基礎(chǔ),。
生產(chǎn)矩陣相對(duì)于生產(chǎn)線,，并包含生產(chǎn)線。通過與生產(chǎn)線的特征進(jìn)行對(duì)比,，可以更加明顯的看出以智能生產(chǎn)矩陣為基礎(chǔ)的制造系統(tǒng)的原理優(yōu)勢(shì)及其顛覆性意義,。
1）智能生產(chǎn)矩陣是二維的生產(chǎn)制造系統(tǒng) 當(dāng)前廣泛應(yīng)用的生產(chǎn)線在維度上是一維的線，根據(jù)所制造產(chǎn)品的工藝流程設(shè)置固定工位,，以順次執(zhí)行相應(yīng)的工藝操作,。一維生產(chǎn)線所處理的對(duì)象只能是固定的工藝流程，因?yàn)檫@根“線”不能“亂”,。 智能生產(chǎn)矩陣是二維的制造系統(tǒng),。因?yàn)槎S可以設(shè)置回路，可以讓工藝設(shè)備和物料在設(shè)置好的關(guān)聯(lián)回路上無限循環(huán)的運(yùn)動(dòng)耦合以執(zhí)行工藝操作。這種運(yùn)動(dòng)耦合的處理對(duì)象除了包含常規(guī)的固定工藝流程外,，還包括實(shí)時(shí)變化的工藝流程和更為廣義的“流”,，即可以通過調(diào)整軌道矩陣相應(yīng)節(jié)點(diǎn)改變關(guān)聯(lián)回路，實(shí)現(xiàn)物料和工藝設(shè)備實(shí)時(shí)分流/合流,，從而實(shí)時(shí)調(diào)整物料,、工藝（工藝設(shè)備和工藝參數(shù)）和工序（工藝流程）。 二維的制造系統(tǒng)是并行生產(chǎn)的前提,，是動(dòng)態(tài)配置的物理基礎(chǔ),。維度的提升從本質(zhì)上改變了制造系統(tǒng)的特性，也相應(yīng)的改變了生產(chǎn)組織方式,，我們稱之為生產(chǎn)矩陣對(duì)生產(chǎn)線的“降維打擊”,。
2）智能生產(chǎn)矩陣是并行生產(chǎn) 一維的生產(chǎn)線只能串行生產(chǎn)，物料在流水線上,，完成第一個(gè)工序后才能接下去執(zhí)行第二個(gè)工序,。必須順次執(zhí)行，不能調(diào)整先后順序,。串行生產(chǎn)要求生產(chǎn)線全部建成后才能投產(chǎn),，其中的任何一個(gè)工位或設(shè)備未完成，都無法生產(chǎn),；同樣的,，在生產(chǎn)線運(yùn)行過程中，如果有某一個(gè)工位或某一臺(tái)設(shè)備故障,，整條產(chǎn)線都將無法工作,。串行生產(chǎn)系統(tǒng)相當(dāng)于串聯(lián)電阻電路，每個(gè)電阻都有效,，整個(gè)電路才可以實(shí)現(xiàn)功能,。 智能生產(chǎn)矩陣是完全并行的生產(chǎn)制造系統(tǒng)，這種并行不是兩條固定工位的生產(chǎn)線的并行,，而是同一條路徑上的多個(gè)工藝“流”的并行,，是某一時(shí)刻同時(shí)耦合的可重構(gòu)機(jī)器人所執(zhí)行的多個(gè)工藝操作。打個(gè)比方,，生產(chǎn)線系統(tǒng)是一條路線上在某一時(shí)刻只能行駛一輛車,，而且其行駛的過程中還不能執(zhí)行工藝操作，要等車行駛到固定工位,，停下來后才能執(zhí)行操作,，這個(gè)行駛的過程其實(shí)僅僅是物料輸送。而生產(chǎn)矩陣是一條路線上在某一時(shí)刻可以同時(shí)行駛多輛車,，這多輛車在運(yùn)動(dòng)的過程中同時(shí)執(zhí)行工藝操作,。矩陣的并行特征,，為制造系統(tǒng)提供了充分冗余。并行生產(chǎn)可以讓制造企業(yè)根據(jù)投入和產(chǎn)出的需要更靈活的組織產(chǎn)品的部件或整機(jī)生產(chǎn),。生產(chǎn)矩陣這樣的并行制造系統(tǒng)相當(dāng)于并聯(lián)電阻電路,，即使某一個(gè)電阻無效，整個(gè)電路仍然可以工作,，當(dāng)然,，并聯(lián)電阻電路的比喻并不能完全表達(dá)出矩陣這樣并行制造系統(tǒng)的特征,。 廣義的并行生產(chǎn),，是在生產(chǎn)矩陣上同時(shí)執(zhí)行多個(gè)工藝操作“流”，也就是說,，在一個(gè)生產(chǎn)矩陣上可以同時(shí)生產(chǎn)多個(gè)不同的組件,，多個(gè)不同型號(hào)或品類的產(chǎn)品，這是生產(chǎn)矩陣較之生產(chǎn)線的顛覆性的改變,，將生產(chǎn)線的效率-柔性矛盾,，轉(zhuǎn)化為既提高產(chǎn)能又增加柔性，從原理上提升了制造系統(tǒng)的適應(yīng)能力和生產(chǎn)效率,。
3）智能生產(chǎn)矩陣的工藝操作在物料運(yùn)動(dòng)的過程中執(zhí)行 生產(chǎn)線的工位是按工藝流程固定設(shè)置的,。在生產(chǎn)線上，物料隨傳輸系統(tǒng)傳送至固定工位,，并在工位上處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)才能進(jìn)行工藝操作,。并且，目前看來,，多數(shù)組裝性的工藝操作時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于物料傳輸時(shí)間,。 智能生產(chǎn)矩陣沒有固定工位的概念，工藝操作是一組可重構(gòu)機(jī)器人在回路上與物料的運(yùn)動(dòng)耦合,，這個(gè)耦合是在運(yùn)動(dòng)的過程中進(jìn)行的,，也就是說，機(jī)器人與物料在同步運(yùn)動(dòng)的過程中相互之間執(zhí)行工藝操作,。在生產(chǎn)矩陣上,，物料從裝到托盤機(jī)器人上開始“流動(dòng)”，在流動(dòng)的過程中,，完成多個(gè)所需的工藝操作,，在這期間不停車，從矩陣上出來就是制成品,。多個(gè)不同類型的工藝耦合可以同時(shí)在生產(chǎn)矩陣的閉合回路上無限循環(huán)的執(zhí)行,，多個(gè)工藝耦合的先后順序（工序）也可以在矩陣上進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。工藝和工序的調(diào)整不需要任何停機(jī),，只是執(zhí)行智能生產(chǎn)矩陣軟件的指令而已,。 在生產(chǎn)矩陣上,，所有工藝操作隨物料的傳輸流動(dòng)就已經(jīng)完成了。這一功能極大的縮短了物料在工序之間傳輸?shù)臅r(shí)間,，這對(duì)制造系統(tǒng)在產(chǎn)能效率方面是根本性的提升,，這也是豐田公司大野耐一的“連續(xù)單件流”夢(mèng)想的客觀實(shí)現(xiàn)。
4）智能生產(chǎn)矩陣是動(dòng)態(tài)配置的生產(chǎn)系統(tǒng) 生產(chǎn)線布置取決于所要生產(chǎn)的產(chǎn)品的工藝流程,，也就是說,，產(chǎn)品的工藝流程確定了，相應(yīng)的生產(chǎn)線就確定了,。如果要調(diào)整一下工藝流程,，或者調(diào)整某一個(gè)工藝參數(shù)，則需要將整個(gè)生產(chǎn)線停機(jī),，對(duì)相應(yīng)固定工位上的工藝設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整,，再重新調(diào)試生產(chǎn)線后才能生產(chǎn)。生產(chǎn)線的操作工位,，工序和工藝都是固定的,，這是生產(chǎn)線的靜態(tài)配置的本質(zhì)特征。生產(chǎn)線不具有動(dòng)態(tài)配置的特征,。生產(chǎn)線的物料流動(dòng)只是按工序分配物料,，不是動(dòng)態(tài)配置。 動(dòng)態(tài)配置,，配置的對(duì)象是物料,、工藝和工序；動(dòng)態(tài)的衡量指標(biāo)是實(shí)時(shí)性,。 智能生產(chǎn)矩陣的工藝操作是多個(gè)“流”的耦合,，耦合的物理對(duì)象是工藝設(shè)備和物料，耦合的時(shí)間和路徑是工藝參數(shù),，耦合的先后順序是工序,。對(duì)于運(yùn)動(dòng)耦合的物料、工藝設(shè)備,、工藝和工序參數(shù),，都可以通過智能生產(chǎn)矩陣軟件在設(shè)備正常運(yùn)行的過程中進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)整，而不需要任何停機(jī),。這種完全動(dòng)態(tài)配置的特征是生產(chǎn)矩陣所特有的,，也是生產(chǎn)矩陣對(duì)生產(chǎn)線在原理上的顛覆。同時(shí),，我們可以明顯的看到,，動(dòng)態(tài)配置是軟件化制造的基礎(chǔ)前提。
5）智能生產(chǎn)矩陣是發(fā)散發(fā)展的制造系統(tǒng) 生產(chǎn)線的功能隨產(chǎn)品加工的工藝和工序而定,，并且固化,。本質(zhì)上,，生產(chǎn)線隨著其功能的增加和固化而收斂于專用制造系統(tǒng)，也就是常說的”專線“,，這種發(fā)展方式是收斂式發(fā)展,。收斂式發(fā)展是一種不可持續(xù)的發(fā)展方式。收斂式發(fā)展的制造系統(tǒng)存在的問題是,，一方面,，在設(shè)計(jì)時(shí)就有明確的產(chǎn)能和柔性的天花板，到了天花板,，即使再多投入也無法提高產(chǎn)能和增加柔性,；另一方面，收斂式發(fā)展的制造系統(tǒng),，在產(chǎn)品換型或更換產(chǎn)品品類時(shí),，原有產(chǎn)線仍可繼續(xù)使用的部分較少,，調(diào)整周期長(zhǎng),，浪費(fèi)多，成本高,。 智能生產(chǎn)矩陣的運(yùn)動(dòng)功能設(shè)備和工藝功能設(shè)備都是極度單元化,、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的可重構(gòu)機(jī)器人,，換型或換產(chǎn)品時(shí),，系統(tǒng)可以隨時(shí)隨需的通過運(yùn)動(dòng)耦合進(jìn)行重構(gòu)，用時(shí)組裝,，不用時(shí)拆分入庫,，這種發(fā)展方式是發(fā)散式發(fā)展。發(fā)散式發(fā)展是一種可持續(xù)增長(zhǎng)的發(fā)展方式,。發(fā)散式發(fā)展給制造企業(yè)提供了持續(xù)線性投入的發(fā)展模式,，即：很少投入即可開始產(chǎn)出，持續(xù)投入獲得持續(xù)增長(zhǎng)的產(chǎn)出,；而不是像生產(chǎn)線,，需要一次性完成全部投入才能生產(chǎn)。最主要的,，當(dāng)企業(yè)需要轉(zhuǎn)型改做其它產(chǎn)品時(shí),，智能生產(chǎn)矩陣除了極少的工裝治具需要適量調(diào)整外，可重構(gòu)機(jī)器人和矩陣軌道系統(tǒng)都不改變,，工藝和工序都在軟件里調(diào)整,。而生產(chǎn)線，往往是整條線改造,，或者整條線作廢,，這是多大的浪費(fèi)呀,？
智能生產(chǎn)矩陣較之現(xiàn)有的生產(chǎn)線，既是技術(shù)和產(chǎn)品的代級(jí)的發(fā)展,，也是原理和邏輯的根本性改變,。在當(dāng)前普遍應(yīng)用生產(chǎn)線的行業(yè)背景下，對(duì)生產(chǎn)矩陣的研究還非常少,。但是,，生產(chǎn)線在智能制造中暴露出來的問題逐漸尖銳，智能制造對(duì)更加普適的核心基礎(chǔ)的需求更為強(qiáng)烈,，問題帶來需求,，這是刺激生產(chǎn)矩陣基礎(chǔ)理論更深入研究和系統(tǒng)產(chǎn)品更快速實(shí)現(xiàn)的契機(jī)。 與生產(chǎn)線類似,，生產(chǎn)矩陣自身就是一個(gè)龐大的行業(yè)和市場(chǎng),，并且具有所有工業(yè)普遍應(yīng)用的基本特征。智能生產(chǎn)矩陣原理上的優(yōu)勢(shì)為其在大規(guī)模定制的智能制造和智慧生產(chǎn)方面的應(yīng)用展現(xiàn)出壯麗藍(lán)圖,。
1）智能生產(chǎn)矩陣充分柔性,、充分冗余、并行生產(chǎn),，實(shí)現(xiàn)不停機(jī)換型,、不停機(jī)換產(chǎn)品、多種類型產(chǎn)品穿插生產(chǎn),，單件與批量無生產(chǎn)成本差異,、單件與批量無交付時(shí)間差異。 2）真正軟件化制造,。智能生產(chǎn)矩陣具有完全動(dòng)態(tài)配置物料,、工藝和工序的基本特征，產(chǎn)品換型和所有工藝工序調(diào)整只通過軟件實(shí)現(xiàn),，生產(chǎn)矩陣上完全不需要操作人員,，真正實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、黑燈工廠,、無人工廠,。
3）基于5G/6G通信技術(shù)，融合人工智能,，真正自學(xué)習(xí),、自組織的生產(chǎn)制造系統(tǒng)。人的作用,，用戶提出產(chǎn)品需求,，管理人員制定生產(chǎn)規(guī)則，如何組織生產(chǎn)完全交由矩陣完成,，真正實(shí)現(xiàn)“生產(chǎn)為人”,，而不是現(xiàn)在的“人為生產(chǎn)”,。
智能生產(chǎn)矩陣是真正意義上的百萬機(jī)器人、犀牛制造,、大生產(chǎn)體系和智能制造平臺(tái),；發(fā)散式發(fā)展的制造系統(tǒng)更深遠(yuǎn)的影響社會(huì)生產(chǎn)。智能生產(chǎn)矩陣上升為與豐田生產(chǎn)方式相對(duì)應(yīng)的矩陣生產(chǎn)方式,，以更智慧的生產(chǎn)制造體系改變社會(huì)生產(chǎn)組織模式,。
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發(fā)表于 2021-10-10 16:37:13
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